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江苏自学考试控制工程基础教材大纲

2006-11-17 10:36   【 】【我要纠错

  南京理工大学编 (高纲号 0536)

  I、课程的性质与设置目的

  一、课程性质、特点和设置的目的:

  《控制工程基础》是电子工程专业本科段考试计划规定必考的一门专业基础课。其目的在于使考生能以动态的观点而不是表态的观点去看待一个电子工程系统;其特点是从信息的传递、转换和反馈角度来分析系统的动态行为;为采用控制的观点和思想方法解决生产过程中存在的问题以及为了使系统按预定规律运动,达到预定的技术指标,实现最佳控制打下基础;也为后续课程以及从事电子工程系统设计打下理论基础。

  二、本课程基本要求:

  本课程的基本要求是:

  1、突出机械运动作为主要控制对象,重点掌握数学模型和分析综合方法。深刻理解并熟练掌握典型系统(特别是一阶系统和二阶系统)的时域和频域特性。

  2、掌握判别线性系统的稳定性的基本概念和常用判据的基本方法,并能判别系统的稳定性。

  3、掌握线性系统性能指标以及相应的系统静、动态性能分析方法和系统综合、校正的方法。

  4、掌握反映机电一体化新技术和新分析方法。

  三、本课程与相关课程的关系:

  学习本课程之前,考生应具有一不定期的数学、力学和电工、电子学基础,同时应具有一定的电子工程基础知识,以便使考生顺利掌握机械、电子工程数学模型的建立以及相应的运算。

  Ⅱ、课程内容与考核目录

  1 概论

  一、学习目的和要求:

  本章带领考生走进控制工程领域,主要了解控制理论在工程中的应用发展,了解自动控制系统的基本概念以及控制理论在机械制造工业中的一些具体应用;同时也了解了本书主要内容以及作为教材的讲授时间安排建议。本章中介绍的一些技术上名词术语、定义等在以后章节中会经常用到,需要熟记。

  二、课程内容:

  1.1 控制理论在工程中的应用发展

  (一)控制工程基础是一门技术科学,是研究控制论在机械电子工程中的应用的技术科学。

  (二)控制理论是在产业革命的背景下,在生产和军事需求的刺激罡,自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。

  (三)中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制,控制理论也是信息学科的重要组成方面。

  (四)控制工程基础是研究系统的动态特性、系统输入和输出之间的动态关系。

  1.2 自动控制系统的基本概念

  (一)自动控制的概念。

  (二)控制系统所要解决的基本任务。

  (三)学习本课程要解决的两个方面的问题。

  (四)系统的输入量、扰动量和输出量的概念。

  1.2.1 自动控制系统工作原理

  (一)人工控制的恒温箱。

  (二)恒温箱的自动控制。

  1.2.2 开环控制与闭环控制

  (一)控制系统基本原理:

  1、开环系统;

  2、闭环系统。

  (二)电机转速控制系统。

  (三)闭环调带系统。

  1.2.3 反馈控制系统的基本组成

  (一)典型反馈控制系统的组成。

  (二)反馈校正和串联校正的概念。

  1.2.4 自动控制系统的基本类型

  (一)模拟控制系统和数字控制系统。

  (二)恒值调节系统和随支系统。

  (三)连续控制系统和离散控制系统。

  (四)线性控制系统和非线性系统。

  1.2.5 对控制系统的基本要求

  (一)稳定性。

  (二)快速性。

  (三)准确性。

  1.3 控制理论在机械制造工业中的应用

  (一)离心调速器(二)机器人关节伺服系统。

  (三)三坐标数控机床。

  (四)六自由度工业机器人。

  (五)感应导线式自动导引车。

  (六)柔性制造系统。

  1.4 课程主要内容及学时安排

  (一)本课程特点。

  (二)本课程各章节内容安排。

  三、考核知识点:

  (一)自动控制的基本含义:

  1、自动控制的含义;

  2、控制系统的基本任务和要解决的问题。

  (二)自动控制系统的工作原理:

  1、开环系统和闭环系统;

  2、典型控制系统的组成;

  3、对控制系统的基本要求。

  四、考核要求:

  (一)自动控制的基本含义要达到识记层次:

  1、控制理论的中心思想;

  2、自动控制的含义;

  3、控制系统的基本任务和要解决的问题。

  (二)自动控制系统的组成、工作原理,要求达到领会层次:

  1、自动控制系统的组成;

  2、自动控制系统的分类;

  3、对控制系统的基本要求。

  五、本章重点:

  (一)自动控制系统的基本含义。

  (二)自动控制系统的组成,信息的传递,反馈及反馈控制的概念。

  (三)对自动控制系统的基本要求。

  2 控制系统的动态数字模型

  一、学习目的与要求:

  通过本章学习明确为了分析、研究机械电子工程系统的动态特性,或者对它们进行控制,最重要的一步首先是建立系统的数学模型,明确数学模型的含义,掌握采用解析方法建立一些简单机、电系统的数学模型。

  明确拉普拉斯(简称拉氏)变换是分析研究线性动态系统的有力工具,通过拉氏变换将时域的身分方程变换为复数域的代数方程,掌握拉氏变换的定义,并用定义求常用函数的拉氏变换,会查拉氏变换表,掌握拉氏变换的重要性质及其应用,掌握用部分分式法求拉氏变换的方法以及了解用拉氏变换求解线性身分方程的方法。

  掌握传递函数定义、特点及推导方法,方块图及其简化法则。了解信号流程图及梅逊公式的应用,以及数学模型、传递函数、方块图和信号流程图之间的关系。

  二、课程内容:

  2.1 基本环节数学模型

  2.1.1 质量——弹簧——阻尼系统

  应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程。

  2.1.2 电路网络

  应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程。

  2.1.3 电动机

  应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型。

  2.2 数学模型的线性化

  (一)各类非线性现象。

  (二)系统线性化处理的方法。

  2.3 拉氏变换及反变换

  2.3.1 拉氏变换定义

  2.3.2 简单函数的拉氏变换

  1、单位阶跃函数l(t);

  2、指数函数eat·I(t);

  3、正弦函数sinωt·和余弦函数cosωt·I(t);

  4、幂函数tn·I(t)。

  2.3.3 拉氏变换的性质

  1、满足叠加原理;

  2、微分定理;

  3、积分定理;

  4、衰减定理;

  5、延进定理;

  6、初值定理;

  7、终值定理;

  8、时间比例尺改变的象函数;

  9、tx(t)的象函数;

  x(t)

  10、——的拉氏变换;

  t 11、周期函数的象函数;

  12、卷积分的象函数。

  2.3.4 拉氏反变换

  1、只含不同单极点的情况;

  2、含共轭复数极点情况3、含多重极点的情况。

  2.3.5 用拉氏变换解常系数线性微分方程

  2.4 传递函数以及典型环节的传递函数

  (一)传递函数的定义。

  (二)传递函数的特点。

  2.4.1 比例环节G(s)=K (其中K为常数)

  1 2.4.2 一阶惯性环节G(s)=——(其中T这时间常数)

  TS+1

  2.4.3 微分环节

  1、理想微分环节G(s)=KS(其中K为常数);

  KTS 2、近似微分环节G(s)=————(其中K、T为常数)。

  TS+1 K 2.4.4 积分环节G(s)=—(其中K为常数)

  S 1 2.4.5 二阶振荡环节G(s)=———————(0<ζ<1)

  T2S2+2ζTS+1

  2.5 系统函数方块图及其简化

  1、方块图单元;

  2、比较点;

  3、引出点;

  4、串联;

  5、并联;

  6、反馈;

  7、方块图变换法则;

  8、方块图简化

  2.6 系统信号流图及梅逊公式

  (一)信号流图的表示方法。

  (二)梅逊公式。

  2.7 受近期机械对象数学模型

  1、高谐振振频率;

  2、高刚度;

  3、适当阻尼;

  4、低转动惯量。

  2.8 绘制实际物理系统的函数方块图

  (一)各种典型机械系统的传递函数。

  (二)各种电网络及电气系统的传递函数。

  *2.9 状态空间方程基本概念

  三、考核知识点

  (一)数学模型的概念:

  1、数学模型的含义;

  2、线性系统含义及其最重要的特征—可以运用叠加原理;

  3、线性定常系统和线性时变系统的定义;

  4、非线性系统的定义及其线性化方法。

  (二)系统微分方程的建立:

  1、对于机械系统运用牛顿第二定律建立运动微分方程式;

  2、对于电气系统运用基尔霍夫定律建立微分方程式。

  (三)拉氏变换与拉氏反变换定义:

  (四)典型时间函数的拉氏变换:

  1、单位阶跃函数的拉氏变换;

  2、指数函数ιat·l(t)的拉氏变换3、正弦函数Sinωt·l(t)和余弦函数Cosωt·l(t)的拉氏变换;

  4、幂函数tn·l(t)的拉氏变换。

  (五)拉氏变换的性质1、满足叠加原理;

  2、微分定理;

  3、积分定理;

  4、衰减定理;

  5、延进定理;

  6、初值定理;

  7、终值定理;

  8、时间比例尺改变的象函数;

  9、tx(t)的象函数;

  x(t)

  10、——的拉氏变换;

  t 11、周期函数的象函数;

  12、卷积分的象函数。

  (六)拉氏反变换1、拉氏反变换2、拉氏反变换的部分分式法:无重极点和有重极点的情况。

  (七)用拉氏变换解常微分方程:

  (八)传递函数:

  1、传递函数的定义;

  2、传递函数的主要特点。

  (九)方块图及系统的构成:

  1、方块图表示方法及其构成;

  2、系统的构成:

  (1)串联环节的构成及计算;

  (2)并联环节的构成及计算;

  (3)反馈联结的构成及计算;

  (4)误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的定义及计算。

  3、方块图的简化;

  4、画系统方块图及求传递函数步骤。

  (十)信号流图与梅逊公式:

  1、信号流图表示方法及其构成;

  2、信号流图与方块图之间的关系;

  3、梅逮公式的应用。

  (十一)受控机械对象的数学模型:

  1、高谐振频率;

  2、高刚度;

  3、适当阻尼;

  4、低转动惯量。

  (十二)实际物理系统的传递函数方块图:

  1、各种机械系统的传递函数;

  2、各种电网络及电气系统的传递函数。

  四、考核要求:

  (一)系统数学模型概念要求达到识记的层次:

  1、知道数学模型的概念;

  2、知道线性系统和非线性系统的特性;

  3、知道线性系统的叠加原理;

  4、知道非线性系统定义及其线性化的方法。

  (二)系统微分方程建立要求达到简单应用的层次:

  1、应用牛顿定律,建立机械系统的数学模型;

  2、会选取系统中间变量;

  3、应用基尔霍夫定律建立电气系统的数学模型。

  (三)拉氏变换与拉氏反变换的定义,要求达到领会层次:

  1、拉氏变换的定义,原函数和象函数的概念;

  2、函数拉氏变换存在的条件;

  3、拉氏反变换的定义。

  (四)典型时间函数的拉氏变换,要求达到领会层次:

  1、能知道各种典型时间函数的拉氏变换;

  2、能查表求得常用函数的拉氏变换。

  (五)拉氏变换的性质,要求达到简单应用的层次:

  1、熟记脉冲函数、阶跃函数、斜坡函数和指数函数的拉氏变换;

  2、各个定理的证明;

  3、利用拉氏变换的性质对各种函数和规则波形求拉氏变换。

  (六)拉氏反变换的数学方法,要求达到简单应用的层次:

  1、能采用部分分式法对无重极点的象函数求出原函数;

  2、能采用部分分式法对有重极点的象函数求出原函数。

  (七)用拉氏变换解常微分方程,要求达到简单应用的层次:

  能用拉氏变换方法求解常微分方程。

  (八)传递函数要求达到领会的层次:

  1、知道传递函数的概念;

  2、知道系统各环节与方块图之间的关系,串联、并联、反馈联接的概念,并能计算反馈通道传递函数、闭环传递函数、误差传递函数、开环传递函数和前向通道传递函数;

  3、熟知方框图的简化方法及求解;

  4、熟知画方框图的步骤及综合过程;

  5、知道信号流图的概念用构成;

  6、记住梅逊公式并理解其含义。

  (十)机、电系统的传递函数要法度达到综合应用的层次:

  1、会求各类机械系统的传递函数;

  2、会求各类电网络的传递函数;

  3、机械系统传递函数的求解过程;

  4、机、电系统传递函数的求解。

  (十一)本章重点:

  建立简单机电系统的微分方程,运用综合基础知识,对系统正确地取分离体并分析受力,注意力和方向,列写系统微分方程式。

  拉氏变换,拉氏变换的性质及其应用,用部分分式法求拉氏反变换的方法,吸盘拉氏变换法解常微分方程。

  建立系统传递函数概念,系统构成及其传递函数,方块图简化及其绘制。

  3 时域瞬态响应分析

  一、学习目的与要求:

  通过本章学习,明确一个系统在建立了系统的数学模型(包括微分方程和传递函数)之后,就可以采用不同的方法来分析和研究系统的动态性能,时域分析是重要的方法之一。明确系统在外加作用激励下,根据所描述系统的数学模型,求出系统的输出量随时间变化的规律,并由此确定系统的性能,明确系统的时间响应及其组成,脉冲响应函数的概念,掌握一阶、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时时间响应以及主导极点的概念。

  二、课程内容

  3.1 时域响应以及典型输入信号

  (一)时域响应的含义:

  1、瞬态响应的含义;

  2、稳态响应的含义。

  (二)典型输入信号的概念:

  1、选择典型输入信号的好处;

  2、常见的典型输入信号。

  3.1.1 阶跃函数。

  3.1.2 斜坡函数。

  3.1.3 加速度函数

  3.1.4 脉冲函数

  3.1.5 正弦函数

  3.2 一阶系统的瞬态响应

  3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应。

  3.2.2 一阶系统的单位斜坡响应。

  3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应。

  3.3 二阶系统的瞬态响应

  3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应:

  1、欠阻尼情况;

  2、临界阻尼情况;

  3、过阻尼情况;

  4、零阻尼情况;

  5、负阻尼情况。

  3.3.2 二阶系统的单位脉冲响应:

  1、欠阻尼情况;

  2、临界阻尼情况;

  3、过阻尼情况。

  3.3.3 二阶系统的单位斜坡响应:

  1、欠阻尼情况;

  2、临界阻尼情况;

  3、过阻尼情况。

  3.4 时域分析性能指标

  瞬态响应性能指标包括:

  1、上升时间tr;

  2、峰值时间tp;

  3、最大超调量Mp;

  4、调整时间ts.

  3.5 高阶系统的瞬态响应

  1、主导极点的概念;

  2、偶极子的概念。

  3.6 机电系统时域瞬态响应的实验方法

  三、考核知识点:

  (一)时间响应:

  1、时间响应的概念;

  2、瞬态响应和稳态响应的定义。

  (二)脉冲响应函数:

  1、脉冲响应函数的定义;

  2、脉冲响应函数与传递函数的关系;

  3、如何利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应。

  (三)一阶系统的时间响应:

  1、一阶系统的传递函数及其增益和时间常数的计算;

  2、一阶系统的单位脉冲响应函数的计算;

  3、一阶系统的单位阶跃响应函数的计算;

  4、一阶系统的单位斜坡响应函数的计算。

  (四)二阶系统的时间响应:

  1、二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算;

  2、二阶系统特征方程;

  3、二阶系统特征方程根的分布;

  4、欠阻尼下的单位阶跃响应;

  5、临界阻尼下的单位阶跃响应;

  6、过阻尼下的单位阶跃响应;

  7、阻尼比、无阻尼自然频率与响应曲线的关系;

  8、不同阻尼比下的单位脉冲响应。

  (五)高阶系统的时间响应1、主导极点的概念及其与时间响应的关系;

  2、偶极子的概念。

  (六)瞬态响应的性能指标1、瞬态响应的性能指标定义;

  2、二阶系统的瞬态响应指标的计算;

  3、二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率与各性能指标间的关系。

  四、考核要求:

  (一)时间响应,要求达到识记层次:

  1、记住时间响应的定义,常用的典型输入信号型式、瞬态响应和稳态响应的定义;

  2、记住脉冲响应函数的定义,脉冲响应函数与系统传递函数的关系。

  (二)利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应,要求达到领会的层次。

  (三)一阶系统的时间响应要求达到领会层次:

  1、一阶系统数学模型的建立;

  2、一阶系统增益及时间常数的计算;

  3、一阶系统的单位阶跃响应函数的计算;

  4、一阶系统的单位脉冲响应函数的计算;

  5、一阶系统的单位斜坡响应函数的计算;

  6、一阶系统的时间常数与系统瞬态响应的关系。

  (四)二阶系统的时间响应,要求达到简单应用层次:

  1、二阶系统数学模型的建立;

  2、二阶系统无阻尼自然频率,有阻尼自然频率,阻尼比,临界阻尼及特征方程要之间的关系;

  3、二阶系统在不同阻尼下的单位阶路响应及其根的分布;

  4、二阶系统在不同阻尼下的单位脉冲响应。

  (五)高阶系统的时间响应要求达到识记层次:

  1、明确主导极点及与系统时间响应的关系;

  2、明确偶极子概念。

  (六)瞬态响应的性能指标,要求达到领会的层次:

  1、瞬态响应的性能指标定义;

  2、二阶系统的瞬态响应指标计算;

  3、二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率与各性能指标的关系;

  4、根据性能指标的要求来计算二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率、有阻尼自然频率。

  (七)本章重点:

  时间响应的基本概念,一阶系统的时间响应,二阶系统单位阶跃响应及性能指标。

  4 控制系统的频率特性

  一、学习目的与要求:

  通过本章学习,明确频率特性的基本概念,频率特性与传递函数的关系,系统动刚度的概念,掌握频率特性的两种表示方法以及频率特性与时间响应之间的关系,各基本环节及系统的极坐标图和伯德图的画法,闭环频率特性及相应的性能指标,为频域分析系统的稳定性以及综合校正打下基础。

  二、课程内容

  4.1 机电系统频率特性的概念及其基本实验方法

  4.1.1 频率特性概述。

  4.1.2 频率特性的实验求取。

  4.2 极坐标图

  4.2.1 曲型环节的乃氏图:

  1、比例环节;

  2、积分环节;

  3、微分环节;

  4、一阶惯性环节;

  5、二阶振荡环节;

  6、延迟环节。

  4.2.2 乃氏图的一般作图方法。

  4.3 对数坐标图

  4.3.1 典型环节的伯德图:

  1、放大环节:

  2、积分环节;

  3、一阶惯性环节;

  4、一阶身分环节;

  5、二阶振荡环节;

  6、延迟环节。

  4.3.2 一般系统伯德图的作图方法。

  4.3.3 最小相位系统:

  1、最小相位系统定义;

  2、非最小相位系统概念。

  4.4 由频率特性曲线求系统传递函数

  4.5 由单位脉冲响应求系统的频率特性

  *4.6 对数幅相图

  4.7 控制系统的闭环频响

  4.7.1 由开环频率特性估计闭环频率特性。

  4.7.2 系统频域指标:

  1、开环频域指标;

  2、闭环频域指标。

  三、考核知识点:

  (一)频率特性:

  1、频率特性定义;

  2、频率特性与传递函数的关系;

  3、系统动刚度概念;

  4、传递函数、频率特性和时间响应的关系;

  5、频率特性的对数坐标图和极坐标图的表示方法。

  (二)频率特性的对数坐标图:

  1、对数坐标图的组成及特点;

  2、各种典型环节的伯德图近似画法及相应的误差计算;

  3、画系统的伯德图的一般步骤和方法。

  (三)频率特性的极坐标图:

  1、极坐标图的表示方法及特点;

  2、各种典型环节的极坐标图的画法及特点;

  3、系统极坐标图的一般画法及特殊点计算方法;

  4、系统的型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响。

  (四)闭环频率特性与频域性能指标:

  1、系统闭环频率特性概念及其计算方法;

  2、频域性能指标及计算方法。

  (五)最小相位系统的概念:

  1、最小相位系统的定义;

  2、非最小相位系统中,当零、极点分布在S的右半平面时,与系统频率特性的关系。

  四、考核要求:

  (一)频率特性要求达到识记的层次:

  1、系统频率特性的定义及其幅频特性、相频特性;

  2、频率特性与传递函数和微分方程之间的关系;

  3、频率特性的特点;

  4、频率特性与动刚度的概念;

  5、频率特性的表示方法。

  (二)频率特性的对数坐标图要求达到综合应用层次:

  1、知道对数坐标图的表示方法及特点;

  2、能熟练绘制各种典型环节的伯德图的近似画法及计算相应的误差;

  3、熟知绘制系统伯德图的步骤和方法。

  (三)频率特性的极人材图要求达到综合应用层次:

  1、知道极坐标图的表示方法及特点;

  2、能熟练绘制各种典型环节的极坐标图的近似画法及计算相应特殊点;

  3、熟知绘制系统极坐标图的步骤和方法。

  4、熟知系统型次、阶次与极坐标图的起始和终点的关系。

  (四)最小相位系统的概念要求达到领会层次:

  1、最小相位系统的定义;

  2、非最小相位系统的概念及其频率特性计算;

  3、熟知由系统伯德图估计最小相位系统的传递函数。

  (五)本章重点频率特性的基本概念及其两种表示方法、画法及特点,闭环频率特性的性能指标及其计算方法。

  5 控制系统的稳定性分析

  一、学习目的与要求:

  通过本章学习明确稳定性的概念,掌握判别系统稳定性的基本准则,掌握劳斯—赫尔维茨稳定判据和乃奎斯特稳定判据以及相对稳定性的概念。

  二、课程内容:

  5.1 系统稳定性的基本概念

  5.2 系统稳定的充要条件

  5.3 代数稳定性判据

  5.3.1 劳斯稳定性判据

  5.4 乃奎斯特稳定性判据

  5.4.1 米哈伊洛夫定理

  5.4.2 乃奎斯特稳定性判据

  5.4.3 乃奎斯特稳定性判据的另一表述

  *5.4.4 应用逆Nyguist图的Nyguist稳定判据

  5.5 应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性

  5.5.1 延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性。

  *5.5.2 延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性。

  5.7 控制系统的相对稳定性

  (一)相位裕量γ。

  (二)幅值裕量kg.

  *5.8 李雅普诺夫稳定性方法

  三、考核知识点:

  (一)稳定性:

  1、稳定性的概念;

  2、判别稳定性的基本准则,即系统稳定性的必要和充分条件;

  3、判别稳定的方法,直接计算特征根和判别特征根在S平面上的位置。

  (二)劳斯——赫尔维茨稳定性判据:

  1、劳斯—赫尔维茨稳定性判据的原理及系统稳定必要条件;

  2、劳斯稳定性判据充分条件以及判别方法和步骤;

  3、劳斯数列中几种特殊情况的处理方法;

  4、赫尔维茨稳定性判据充分条件以及方法和步骤。

  (三)乃奎斯特稳定性判据:

  1、基本原理:

  通过系统开环乃奎斯特图以及开环极点的位置来判别闭环特征方程的根在S平面上的位置,从而判别系统的稳定性。

  (1)闭环特征方程;

  (2)米哈伊洛夫定理;

  (3)乃奎斯特判据;

  (4)用乃奎斯特法判别系统的稳定性;

  (5)对O型系统判稳定方法及特殊点计算方法;

  (6)对I型系统判稳定方法及特殊点的计算方法;

  (7)对Ⅱ型系统判稳定方法及特殊点的计算方法;

  (8)对具有延时环节系统判稳定方法及计算。

  2、应用实例:

  明确系统参数对系统稳定性的影响。

  (四)系统相对稳定性:

  1、系统相对稳定性:

  (1)相位裕量和幅值裕量在极坐标图和伯德图上的表示方法;

  (2)用相们裕量和幅值量来衡量系统稳定性时应注意的几个问题。

  2、条件稳定系统的基本概念。

  四、考核要求:

  (一)稳定性要求达到识记层次:

  1、知道系统稳定性的概念;

  2、知道系统稳定性的基本条件。

  (二)劳斯—赫尔维茨稳定性判据要求达到简单应用层次:

  1、能表述劳斯稳定性判据的基本原理及计算方法;

  2、能表达劳斯数列中出现零或某一行全为零时的计算方法及含义。

  (三)乃奎斯特稳定性判据要求达到简单应用层次:

  1、能表述闭环特征方程的零点数与极点数的关系;

  2、能表述米哈依洛夫原理及其计算方法;

  3、能表述乃奎斯物判稳定的步骤和方法;

  4、能表述在虚轴上存在有几个极点时的乃奎斯特判稳方法;

  5、对不同型次、阶次的系统能熟练地判别其稳定性;

  6、对具有延时环节系统的稳定性判别方法;

  7、通过稳定性分析,明确系统参数的影响程度及如何改善性能。

  (四)系统的相对稳定性要求达到综合应用层次:

  1、能表述相对稳定性的基本概念;

  2、熟知相位裕量和幅值裕量的表示方法及计算;

  3、熟知选取相位裕量和幅值裕量应注意的几个问题;

  4、能表述条件稳定性的基本概念。

  (五)本章重点:

  系统稳定性的基本概念,劳斯—赫尔维茨判稳的方法,乃奎斯物判稳的方法,相位裕量和幅值裕量的概念及计算方法。

  6 控制系统的误差分析和计算

  一、学习目的与要求:

  通过本章学习明确系统的误差的概念与稳态误差的计算方法以及系统稳态误差与系统型次的关系。

  二、课程内容:

  6.1 稳态误差的基本概念

  1、误差和偏差;

  2、误差和稳态误差。

  6.2 输入引起的稳态误差

  6.2.1 误差传递函数与稳态误差。

  6.2.2 静态误差系数:

  1、系统类别与系统阶次;

  2、系统稳态误差;

  3、表态位置误差系数和位置误差;

  4、静态速度误差系数和速度误差;

  5、表态加速度误差系数和加速误差。

  6.3 干扰引起的稳态误差

  6.4 减小系统误差的途径

  1、按干扰补偿;

  2、按输入补偿。

  *6.5 动态误差系数

  三、考核知识点:

  (一)误差、偏差的概念:

  1、误差、偏差的概念;

  2、稳态误差和稳态偏差的计算。

  (二)输入引起的稳态误差:

  1、误差传递函数与稳态误差的概念;

  2、系统类别的定义;

  3、系统稳态误差与系统类别、开环增益及输入信号之间的关系;

  4、静态位置误差系统和位置误差定义以及与系统类别的关系;

  5、静态速度误差系数与速度误差定义以及与系统类别的关系;

  6、静态加速度误差系数和加速度误差定义以及与系统类别的关系;

  7、不同类别系统在不同输入信号下的稳态误差。

  (三)振动作用下系统干扰稳态误差的计算。

  (四)减小系统误差的途径:

  1、按干扰补偿的概念和对干扰全裣的条件;

  2、按输入补偿的概念和在输入信号作用下误差全补偿条件。

  四、考核要求:

  (一)系统误差分析要求达到综合应用的层次:

  1、记住误差、偏差和稳态误差的定义;

  2、知道系统类别的概念;

  3、知道稳态误差与系统有关因素之间的关系;

  4、知道各种静态误差系数定义及与稳态误差的关系;

  5、求解扰动作用的稳态误差;

  6、具有扰动作用下系统误差的计算。

  (二)减小系统误差的途径要求达到识记层次:

  1、知道按干扰补偿的概念,熟知按干扰进行顺馈补偿及其计算;

  2、熟知按输入进行顺馈补偿及实现全补偿的原理。

  (三)本章重点:

  误差分析,误差及稳态误差的定义,位置误差、速度误差和加速度误差的计算,干扰作用下的系统误差计算,对干扰进行全补偿条件,对输入作用下误差全补偿条件。

  7 控制系统的综合与校正

  一、学习目的的与要求:

  通过本章学习,明确在预先在规定了系统性能指标情况下,如何选择适当的校正环节和参数,使系统满足这些要求,因此,应掌握系统的时域性能指标、频域性能指标以及它们之间的相互关系,各种校正方法的实现。

  二、课程内容:

  7.1 系统的性能指标

  7.1.1 时域性能指标。

  7.1.2 开环频域指标。

  7.1.3 闭环频域指标。

  7.1.4 综合性能指标(误差准则)。

  7.2 系统的校正概念

  1、校正的含义;

  2、校正的方法。

  7.3 串联校正

  7.3.1 超前校正。

  7.3.2 滞后校正。

  7.3.3 滞后——超前校正。

  7.3.4 PID调节器:

  1、比例控制器(P调节);

  2、积分控制器(I调节);

  3、微分控制器(D调节);

  4、比例——积分——微分控制器(PID调节)。

  7.4 反馈校正

  7.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数。

  7.4.2 速度反馈和加速度反馈。

  7.5 用频率法对控制系统进行综合与校正

  7.5.1 典型系统的希望对数频率特性

  1、二阶最优模型;

  2、高阶最优模型。

  7.5.2 希望对数频率特性与系统性能指标的关系。

  7.5.3 用希望对数频率特性进行校正装置的设计。

  7.6 典型机电反馈控制系统综合校正举例

  7.6.1 直流电动机调速系统:

  1、直流伺服电动机——测速机机组;

  2、PWM功率放大器;

  3、霍尔电流传感器;

  4、电流环(跨导功率放大器)的分析与设计。

  7.6.2 电压——位置随动系统。

  *7.7 确定PID参数的其他方法

  三、考核知识点:

  (一)控制系统性能指标及校正方法:

  1、系统性能指标的分类;

  2、系统瞬态性能指标的含义及通常采用的指标;

  3、稳态性能指标的含义及通常采用的指标;

  4、频域性能指标的含义及通常采用的指标;

  5、二阶系统频域性能指标与时域性能指标间的关系;

  6、频率特性曲线中,不同频率段的特性与系统性能的关系;

  7、校正的目的及方式。

  (二)控制系统的串联校正:

  1、相位超前校正的特点及实现方法;

  2、相位滞后校正的特点及实现方法;

  3、相位滞后—超前校正的特点及实现方法;

  4、PID校正的特点及实现方法。

  (三)控制系统的反馈校正:

  1、利用反馈校正改变局部结构和参数;

  2、速度反馈和加速度反馈的特点及实现方法。

  四、考核要求:

  (一)控制系统的性能指标及校正方式要求达到识记层次:

  1、表述系统时域和频域性能指标;

  2、表述二阶系统中时域和频域性能指标的转换;

  3、表述系统开环频率特性各频段含义及对系统性能的影响;

  4、表述校正的概念,校正的方式及其特点。

  (二)控制系统的串联校正要求达到简单应用层次:

  1、熟知增益校正的特点及计算方法;

  2、熟知相位超前校正的特点及计算方法;

  3、熟知相位滞后校正的特点及计算方法;

  4、熟知相位滞后—超前校正的特点及其计算方法;

  5、熟知PID校正的特点及实现方法。

  (三)反馈和顺馈校正要求达到综合应用层次:

  1、熟知反馈校正中系统类别、系统时间常数以及系统阻尼比对系统性能的影响;

  2、熟知速度反馈、加速度反馈的特点和实现方法;

  3、熟知按输入进行顺馈校正及实现全补偿的原理;

  4、熟知按扰动进行顺馈校正及其计算和实现全补偿的原理。

  (四)本章重点:

  1、各种性能指标的含义及算法,校正的概念,各种校正环节的传递函数及其特点,速度反馈、加速度反馈的特点。

  8 根轨迹法

  一、学习目的与要示:

  通过本章学习,明确根轨迹法的基本概念,掌握根轨迹和根轨变方程及绘制根轨迹的基本法则,并熟知系统闭环零点、极点的颁布与性能指标的关系。

  二、课程内容:

  8.1 根轨迹与根轨迹方程

  8.1.1 根轨迹。

  8.1.2 根轨迹方程及相角、幅值条件。

  8.2 绘制根轨迹的基本法则

  1、根轨迹的起点与终点;

  2、根轨迹的分支数;

  3、根轨迹的对称性;

  4、实轴上的要轨迹;

  5、根轨迹的渐近线;

  6、根轨迹的超始角与终止角;

  7、分离点及会合点的坐标;

  8、实轴上分离点的分离角恒为±90°;

  9、根轨迹与虚轴的交点;

  10、系统闭环极点之和为常数;

  11、系统闭环极点之积。

  8.3 根轨迹图绘制举例

  8.4 系统闭环零点、极点的分面与性能指标

  1、闭环零极点分布阶跃响应的定性关系;

  2、利用主导极点估算系统性能指标。

  三、考核知识点:

  (一)根轨迹与根轨迹方程:

  1、根轨迹的定义;

  2、根轨迹方程的概念;

  3、相角和幅值条件。

  (二)绘制根轨迹的基本法则:

  1、绘制根轨迹的十一条基本法则;

  2、绘制简单系统的根轨迹图;

  3、闭环零、极点分布与阶跃响应的定性关系。

  四、考核要求:

  (一)根轨迹与根轨迹方程要求达到衰亡层次:

  1、知道根轨迹的定义;

  2、知道根轨迹方程的概念;

  3、知道相角和幅值条件。

  (二)绘制根轨迹图要求达到综合应用层次:

  1、熟知绘制根轨迹的十一条基本法则;

  2、绘制简单系统的根轨迹图;

  3、熟知闭环零、极点分布与阶跃响应的定性关系。

  五、本章重点

  根轨迹的定义,根轨迹方程的概念,相角和幅值条件,绘制系统的根轨迹图,闭环零、极点颁布与阶跃响应的定性关系。

  *9 控制系统的非线性问题

  *10 计算机控制系统

  *11 MATLWAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用

  Ⅲ、有关说明及实施要求

  一、大纲在“考核要求”中,提出的“识记”、“领会”、“简单应用”、“综合应用”四个能力层次是递进等级关系,后者必须建立在前者的基础上。

  “识记”:能知道有关的名词、概念等的意义,并能正确认识和表达。

  “领会”:在识记的基础上,能全面把握基本概念、基本原理,能掌握有关概念和原理的区别与联系。

  “简单应用”:在领会的基础上能用学过的一二个知识点,综合分析和解决简单的问题。

  “综合应用”:在简单应用的基础上,能用学过的多个知识点,综合分析和解决较复杂的问题。

  说明:其中打“*”的部分,自学考试大纲不作要求。打*号的章节有:2.9, 4.6,5.4.4,5.5.2,5.8,6.5,7.7,9,10,11.

  二、自学方法指导

  本课程是一门系统性较强的技术基础课,力求在阐明控制工程基础的基本概念、基本知识与基本方法的基础上,紧密结合机电系统实际,以便沟通与加强数理基础与专业知识之间的联系,因此,学好本课程教材是关键的一环,同时还必须完成思考题和作业,才能达到理解和巩固教材所学的知识。提出以下几点自学注意事项供考生参考。

  1、在开始自学每章以前,要先翻阅一下,大纲中有关这一章的知识点、基本要求、重点以及对各知识点能力层次的具体要求,以便自学教材时心中有数,突出重点,不要平均使用力气。

  2、自学教材时要逐句推敲,深刻领会每一个知识点,对基本概念必须深刻理解,对基本原理必须彻底弄清。

  3、完成思考题和作业是帮助理解、消化、巩固和掌握所学知识,培养分析问题和解决问题的重要环节。因此,自学完每一章后,要及时独立完成全部有关作业。

  4、教材中“复习题”和“习题”是用来检查各阶段学习情况,衡量经过自学后有否达到大纲要求,具有阶段测验性质,要独立完成思考题和习题。

  5、在辅导答疑前要挑选出自己不能判断是否完全做对的内容。答疑时要首先向教师说明自己的观点,然后再请老师判断,迷样答题才有较好的效果。

  6、对考核要求中规定要记住的定义和公式必须牢牢记住,这样有利于对教材内容的理解。

  三、对社会助学的要求

  1、应熟知考试大纲对课程所提出的总的要求和各章的知识点。

  2、应掌握各知识点要求达到的能力层次,并深刻理解对各知识点的具体要求。

  3、辅导时,应对学习方法进行指导。提倡“刻苦钻研教材,认真做好作业,主动争取帮助,依靠自己学通”的学习方法。同时应以指定的教材为基础,考试大纲为依据,不要随意增删内容,以免与大纲脱节。

  4、辅助导答疑时,要注意基础,突出重占,关于启发引导,要引导学生独立思考,在自学中学会自己提出问题,经过分析研究自己作出判断解决问题。

  5、要向考生说明:不要认为试题的难易与能力层次的高低有关。须知,两者不是同一概念,在各个能力层次中都存在着不同难度的试题,切不可混淆。

  四、关于命题和考试的若干规定

  1、本大纲各章所提到的基本要求和列出的知识点以及知识点下的细目内容都是考试内容。试题要覆盖到章,适当突出重点章节,加大重点内容的覆盖密度,重点内容的题量不低于50%.

  2、试题中对不同能力层次要求的试题所占分数比例大致是:“识记”占15%,“领会”占30%,“简单应用”占35%,“综合应用”占20%.

  3、要合理安排试题的难易程度。试题难度可分为易、较易、一般、较难和难五个等级。每份试卷中不同难度的试题的分数比例一般为1:2:4:2:1.

  4、试题的主要题型有填空题、选择题、图解题、计算题等。

  5、试卷各题不论大题小题都就标明得分分数。

  6、考试前应备好标准答案和细致明确便于正确掌握的评分标准,以尽量减小阅卷评分时的人为随意性。

  7、考试时间为150分钟,并根据有关考试规定进行。

  8、考试方法为闭卷、笔试,试题份量应以中等水平考生能在规定时间内答完全部试题为度。评分采用百分制,60分为及格。考试时允许带铅笔、钢笔、橡皮、三角板、计算器。

  五、关于习题、作业和自学时间分配的建议:

  1、习题的建议:

  应全部独立完成每章后面的习题。

  2、自学时间的建议:

  本课程4学分,相当于全日制高等学校课内72学时,自学时间包括阅读教材,做习题,共约需200小时,时间分配如下:

课 程 内 容  自学时间 
1、概论  6 
2、控制系统的动态数学模型  40 
3、时域瞬态响应分析  18 
4、控制系统的频率特性  36 
5、控制系统的稳定性分析  30 
6、控制系统的误差分析和计算  18 
7、控制系统的综合与校正  30 
8、根轨迹法  22 
合 计  200 

江苏省教育考试院

本文转载链接:江苏自学考试控制工程基础教材大纲

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